Ebook cải tạo đất yếu trong xây dựng phần 1

7 T rọ tỉy lươỉiy dan vị của cúc hạt íất, Yv, lủ tỷ s ố ỳ ữ a trọng Iượ/IỊỊ của cúc hại lãi với lìỉê ỉícìi của chún\>, v\: 10 Kliối Iií/IHỊ dơn vị hay dộ chặt củư dứt, p: Danh từ khối lư

LỜI NÓI ĐẦU

H iệ n nay, trên t h ế giới đ a n g x u ấ t h iện rất n h iề u p h ư ơ n g p h á p cải tạo

đ ấ t y ế u k h ú c n h a u n h ằ m n ă n g cao độ bền, g iả m tô n g độ lú n và độ lú n lệch, rú t n g ắ n thời g ia n th i công, g iả m g iá th à n h xă y d ự n g , và các đ ặ c trư n g k h á c liên q u a n tới việc xâ y d ự n g - k h a i thác từ n g d ự á n cụ thề.

C u ố n sách được ch ia th à n h ba p h ầ n riêng biệt:

P h ầ n ỉ (từ chươ ng 1 đ ến chươ ng 4) m ô tả các tín h c h ấ t x ả y d ự n g cơ

b ản của đất, n h ữ n g ả n h hư ởng củ a nước dưới đ ấ t và đ ộ n g đ ấ t đ ế n ổn

đ ịn h củ a n ền công trìn h

P h ầ n Ĩ I (từ chư ơ ng 5 đ ến chươ ng 9) giới th iệ u các p h ư ơ n g p h á p cải tạo đ ấ t y ế u b ằ n g g iế n g tiêu nước th ẳ n g đ ứ n g (giếng cát, cọc cát n én chặt, tr ụ đá, và bấc th ấ m ); p h ư ơ n g p h á p cải tạo đ ấ t y ế u b ằ n g các trụ

đ ấ t x ir n ă n g / vôi - p h ư ơ n g p h á p trộn sâ u ; hư ớìig d ấ n tín h to á n - th iế t

k ế và th i công các loại tư ờng ch ắ n c ủ n g n h ư sườìi dốc đ ấ t có cốt (kê cả tường ch ă n hẫng rọ đá).

P h ầ n / / / (từ chư<fng 10 đ ến chươ ng 12) giới th iệ u m ộ t sô p h ư ơ n g

p h á p t h í n g h iệm h iện trư ờng tro n g đ ìa k ỹ th u ậ t xâ y dự ng.

C u ố n sách n à y rấ t có ích cho các k ỹ s ư ch u yên n g à n h c ầ u - Đ ường, các k ỹ s ư X â y D ựng, và k ỹ s ư Đ ịa K ỹ T h u ậ t X ả y D ự n g q u a n tâ m đ ế n

n h ữ n g v ấ n đ ề cải tạo nền đ ấ t yếu, c ũ n g n h ư tín h to á n ổn đ ịn h các loại

Phần I

C h ư ơ n g 1

THÀNH PHẦN VÀ TÍNH CHẤT c ơ BẢN CỦA ĐẤT

1.1 KHÁI NIỆM CHUNG

Đất là tập hợp các hạt khoáng vật khác nhau, nếu trong các lỗ rỗng của đất có chứa k hí và nước - đó là hệ ba pha Đại bộ phận bề mặt quả đất được b a o phủ bằng đất

đá khác nhau, và chúng được dùng rộng rãi làm nền cho nhiều cô ng trình xây dựng khác nhau Đ ặc trưng của đất bao gồm tính chất vật lý, lính cơ học (tính bền và tính biến dạng) và các tính chất đặc biệt khác

Trong chương này bao gồm tám phần chính: 1) Các tương quan th ể lích - trọng lượng cho đất thuộc hệ ba pha; 2) Thành phẩn cấp phối hụt đất; 3) C ác khoáng vật sét; 4) Trạnẹ thái d ấ t; 5 ì Độ đầm chật; 6) Tính thấm nước; 7) Áp lực nước lỗ rỗng, và 8) Các hệ thôn í; plìân loại dất.

1.2 CÁC TƯƠNG QUAN THÊ TÍCH - TRỌNG LƯỢNG

ổ) T rọ nự hỉợn\ị (lo’n vị dã) kho, Y lờ lý sò iỊÍữa irọinỊ lưựiiiỊ n ia cức hạt iíâi

v ớ i l ối iíỊ liũ ' l í c h c t i a m ẫ u d ã l :

( 1 1 0 )

V

7 )T rọ tỉy lươỉiy dan vị của cúc hạt (íất, Yv, lủ tỷ s ố ỳ ữ a trọng Iượ/IỊỊ của cúc hại

(lãi với lìỉê ỉícìi của chún\>, v\:

10) Kliối Iií(/IHỊ dơn vị (hay dộ chặt) củư dứt, p:

Danh từ khối lượng dơn vị (hay độ chặt) của đất ớ dây được dù n g đê biếu diễn tỷ số

giữa khôi lưựim (M) với trọim krựng cúa một loại vát liệu bất kỳ Đôi khi, trong thực tế

người la còn sứ dung danh từ này dế biểu (liễn trọng lượng đơn vị cúa vật liệu,

Khối lương dưn VỊ được ký hiệu hằng chữ p Do đó, ta có thê’ viết:

Trong đó: u - Gia tốc 1 ực irọim trưòntỊ, 1Z = 9,81 in/s’

Danh từ trọn li iượng dơn vị dược xác định trẽn dây có ihế dược biếu diễn qua

khối lượng dơn vị như sau:

V í dụ / / Một mẫu đất có thế tích bằng 2,5 X l ơ ' 3 m ’ và tổng khối lượng bằng 4,85 kg

Dó ;ì’m ban d;'iu của mẫu dát là 28% Giá thiết tỷ trọne hạt bằng 2,72 Hãy xác định tổng

khối lượim don vị, khối lưựne don vị dát khô, tổne trone lượng đơn vị, trọng lưọng đon vị

dõi khô, hệ số rồiiii độ rỗim, và mức đỏ bão hoà nước'?

Bài qiủi:

Một sơ đồ của đất thuộc hệ ba pha được biểu diễn trên hình 1.2 dưới đây:

Hình 1.2 Sơcló mấu đất ba pha dùng cho ví dụ 1.1

Tống khối lượng của mẫu đất, M, được tính như sau:

M = M S + M 0J= 4,8 50 kg

Từ định nghĩa về độ ẩm, ta có:

M s + 0 , 2 8 M s = 4,8 50 kg

1,28MS = 4,850 kg4,850

- Trọ ng lượng đơn vị dất khô, Yd> là:

1 ) Đ ộ clìặi tương đối, D r

Đ ộ chặt tương đối của đất, Dr, là danh từ thưòng được dùng đ ể đánh giá mức độ chặt của các loại đất vụn thô, và nó được xác định như sau :

£ m a x — £* I I1IIITrong đó : e m;ix- hệ sô' rỗng lớn nhất;

Sau khi thay các phương trình (1.24) ; (1.25) , và (1.26) vào phương trình (1.22), ta nhận dược :

ỉ\i ^d(m;ix) -Yj( min)

Độ cliộl urưns đối (Dt) thường dược biếu diễn băng phần trăm, nó được dùn g rộng răi

và thích họp cho việc lập tưưne quan với góc ma sát irong (ọ), và khá năng hoá lỏng cúa đát,

Trong dó : R„ = yúimJ ỵ dUmui

Bằnu kcì qua khao sát 47 loại đất khác nhau, Lee và Singh (1971) đà đưa ra biếu thứcuấn dúnu LMiìa dô clìặi lươn li đối và đô dấm chãi IƯƠIÌS đối như sau:

Trona dó : D, biếu dicn bang phán trâm

1.3 T H À N H PHẤN CẤ P P H Ố I H A T CÚA ĐẤT

Đê xác dinh ihành phấn cấp phối hạt của các loại đất vụn thô (cuội, sỏi và cát), người

ta tlurờnc dùim phươnc pháp râv (sàng) Đất được xấy khô đến trọng lượng không đổi và làm vụn dè rây Xác định tro ne lương đất khô nằm trên mỗi sàng (rây), và dựa Irên kết quá này sẽ !ập được dơờna cong lích luỹ phần trăm hạt iọt sàng, ở nước Mỹ, người ta dùim các sìinc có đườnc kính lỗ rày khác nhau như cho trong bảng 1.1 dưới đây

Báng 1.1 Các rây tiêu chuân cùa Mỹ

Trong dó: D6U - đirờng kính nhỏ hơn nó có tới 60% tổng khối lượng hạt lọt qua sàng;

D10 - dường kính nhỏ hơn nó có tới 30% tổng khối lượng hạt lọt qua sàng,Các hệ sô dồng nhát và hê số cấp phối hạt của đất qua phân tích bằng lây được chỉ ra troni: ví dụ 1.2

V ỉ d ụ 1.2. Từ các kết quá phân tích bằna rây cho trong báng 1.2, hãy vẽ đổ thị đường cong câp phối hạt và xác định: (a) đường kính hữu hiệu hạt đất, (b) hệ số đồng nhất, và (c) hệ số cấp phối hạt đất

Hang 1.2 Các ket q uà phán tích bằng rây

R;ìv liêu chufín cúa MỸ I 4

Bùi íịicỉi :

Tốn g khối lượng đất khô = 650 e

Các kết quả phàn lích bằng rây được ghi trong báng ! 3 dưới đây :

Iiang 1.3 Các kết quà tính toán cúa phân tích bằng rây

Khối lượng đất còn lai trên mỗi lảy,(g)

Tổng khối lượng đất còn lại trên mỗi rây, (g)

Tổng khối lượng đất lọt qua mỗi rây,(g)

Phần trãm hạt lọt rây, (%)

-Đế xác định một số tham số cúa dãì như : dường kính hữu hiệu, hệ số đổn g nhất, va

hệ sô cáp phối hạt có thê dùng biếu đổ dường cong cấp phối hạt như chi ra trên hình 1.4.a) Đường kính hữu hiệu của hạt đât , D l0, là đường kính nhỏ hơn nó trong đất chiếm 10% tống khối lượng hạt lọt sàng Như chi ra trong bảng 1.3 ta tính được D l0 = 0,0X8 inin.b) Hệ số đổng nhất, c „ , được tính như sau :

Trong dó : D,d = đường kính hạt nhỏ hơn nó có tới 30% hạt lọt sàng

Theo tiêu chuán cỉia Mỹ, đất có c„ = 4 + 6 và c = 1-^3 là dất có thành phần cấp phối

tôì Với loại đất có c = 1 là ioại đất có ihành phần cấp phối hạt xấu

Vậy theo kết quá phân tích thành phần cấp phối hạt, kết luận đất trên đây thuộc loại xấu, vì c = 0,91 < 1

£

»03

Đường kinh hat, D, mm, (Tỷ lệ logarit)

H ì n h 1.4 Đ ổ lliị tliành p h á n c ấ p pliối hạr đ ể tinh cho ví d ụ ỉ 2

Kỹ thuật phân tích bằng sàng trẽn đíìy chỉ ứng dụng cho các loại đất có đường kính hạt lớn hơn lỗ sàng số 200 (0,074 mm) Đối với các loại đất hat min (đất loại sét), để phán tích thành phần cấp phôi hạt của chúng, người ta thường dùng phương pháp tỷ trọng kế Phương pháp này dựa trên nguyên tắc lắng chìm của các hạt đất

1.4 K H O Á N G VẬT SÉT

1.4.1 T h à n h phần và câu trúc của khoáng vật sét

Các khoáng vật SCI l à hợp chất của các silicat nhôm, magiê và sắt (ví dụ: Kaolinit; Monlmonlonit, và illit, ) Cấu trúc của một số khoáng vật sét được biểu diễn trên hình 1.5 dưới đ â y

w

z s \/ s \

1.4.2 K h á n ă n g trao đối cation

Các hạt sét luôn m a n g điện tích âim Trong một khoáng vật lý tường, các đién (ích dương và điện tích â:n có thế cần băns nhau Tuy nhièn, hiện tượng thay th ế đồng hình sẽ lùm ch o kết cấu của khoáng vật mất tính liên tục dẫn đến làm thay đổi điện tích

âm trên bề mặt các hạt sét đỏi khi tại góc của các hạt sét thường tích diện dương) Để càn bâng điện lích âm các hạt sét phải có khả năng hấp phụ một số ion từ các muối trong phần nước lỗ rỗng của chúng

Khá n ă n e hấp phụ các calion ir o n s khoáng vât sél tuán theo trật tự sau:

L ' +> Ca-V> Mg:+> N H / > K+ > H+ > Na+ > Li+

Trật tự trên chỉ ra cho la thấy , các iotn AL3+ có thè’ thay thế cho Ca"\ và các ion Ca2+ có ihê thay thế cho các ion N a 1' Ọuá irình nàv được gọi là khá năng trao đổi cation Ví dụ:

Sét Na + CaCl 2 — *> Sét Ca + NaCL.

Khả nàng trao đổi caiion (CEC) của đất sét được xác định bằng tổng các ion trao đổi,

nó đưực biểu diễn bằng miligam đương lượng trong 100 gam dất sét khô tuyệt đối

1.4.3 H iện tượng đ iện thám thâu

Hệ sô thấm nước qua các loại đất sét là rất nhỏ SC) VỚI hộ số thấm nước trong các loại đất vụn thô, như ng khá nang thấm nước ưong đất sét có thế tăng lên khi có tác dụng cúa dòng diện bên ngoài Hiện tượng này li à kết quá của quá trình trao đổi cation trong các hat sét và do tính lưỡng c.ự£ cua cạc phận tử nước Ị ao rạ NciiYên lý này có thể hiểu diổn trên hình 1.6

Hình 1.6 Cúc nguyên /" cảu điện thấm thấu.

Khi dưới tác dụn g của độ c h í n h điện ihố các cation băt dầu chuyên tới cực âm (ống kim loại đục lỗ) Do nước hấp phụ trên bể mặt các calion, ncn chúng được các cation iôi kéo theo khi vận động đên CƯJ ám Sau khi các cation dịch chuyển đến cực âm dày đậc,

chú ng sẽ ép tách nước ra ngoài (lên phía trên) qua cực âm Q u á trình này được gọi là hiện tượng điện thẩm thấu, và người đẩu tiên là Casagrande (người Đức) đã áp dụn g vào năm 1937 đê gia cường nền đất sét yếu ở Đức.

1.5 ĐÔ SỆT CỦA ĐẤT DÍNH

1.5.1 C ác giói hạn A tterberg

Vào khoảng nãm 1911, một nhà khoa học người Thuỵ Điển, A Atterberg, đã đưa ra phương pháp mô tả lính dẻo của các loại đất hạt mịn trên cơ sở độ ẩm, đó là độ ẩm giới han clìảy giới hạn déo, và aiới hạn co ngót (xem hình 1.7)

- Độ ẩm iịiớì hạn cháy, WL , là độ ẩm, tính bằng phấn trăm, khi Vịtợt quá nó dất s ẽ chuyển n ì chảy sang dẻo Độ ẩm giới hạn chảy thường được xác định hằng dụng cụ tiêu chuẩn Casagrande (Cưscỉí-rancie, 1932 ; ỉ 948).

- Độ ẩm giới hạn dẻo, W p , là dộ ẩm, tính bằng phần trăm, khi vượt quá nó đất s ẽ chuvển từ trạng thúi dẻo saniị trạng lliái nửa cícng, và từ trụng ĩ húi nửa cứng sang trạng lliái cứng, iươiig ứng với giới hạn dẻo, W p , và giới hạn co ngót C ác giới hạn này còn dược hiểu là giới hạn Altcrberge.

Hiệu sô' giữa đ ộ ẩ m giới hạn chảy, WL , và độ ẩm giới hạn dẻo, W p , được gọi là chí

Trạng thái chảy ĩrạ n g thái dẻo Trạng Ihái nửa cứng Trạng thái cứng

Giới hạn chảy Giới hạn dẻo

Hình 1.7 Tính dẻo của các loại đất dinh.

Trong đó : w là dộ ẩm lự nhiên của đất

Từ phươnu irình (1.34) chi ra rằng, nếu w = WL , thì chỉ tiêu độ sệt, I L = 1 Ngược lại, nếu w = Wp , thì I L = 0 Thật vậy, đối với các loại đất tự nhiên ở trạng thái dẻo (tức

ià, Wị > w > W p ), các trị số chi tiêu độ sệt sẽ thay dổi từ 1 đến 0 M ộ t loại đất tự

nhiên có w > W L thì chí liêu độ sột., I L, luôn lớn hơn 1 ớ trạnc thái nguyên dạng,những loại đất này có thể là ổn định, nhưng khi bị n.ng mạnh đột nsột đất có thể chuyển sang trạng thái chảy N h ũ n g loại dất như vậy jược gọi là loai sét có độ nhạy.

1.6 Đ ộ ĐẦM C H Ặ T CỦ A ĐẤT

1.6.1 Lý th u yết đ ầ m chặt và thí ní>hiệm đám chặt Proctor

Công tác đầm chặt các loại đất đảp ỉà phương pháp đơn ciản nhầm làm tâng tính ổn định và khả năng chịu tải cùa đất Để đạt dược mục đích này, người ta thường dùng máy

lu, máy đầm, m áy vừa đ ầm vừa rung

Thí nghiệm đầm nén tiêu chuẩn trong phòng lẩn đẩu tiên được nhà bác học người Mỹ tên là Proctor (1933) phát minh ra, và nó được mang tên là Thí nghiệm liêu chuẩn Proctor (tiêu chuẩn thiết kế ASTM D-698; AASHTO T-99) Thí nghiệm được thực hiện bằng cách đầm nén ba lớp đất trong cối có ihể tích bằng 944 cm Mỗi lớp đất được đíìm

25 nhát búa có trọng lượng bằns 24,5 N với độ cao rơi búa là 304,8 mm Từ thể'tích côi , irọng lượng đất ẩm trong cối, va độ ẩm của đất được đầm chặt đã biết, có thể xác định được trọng lượng đơn vị đất khô như sau:

1.6.2 Đ ộ ẩm tốt n h át và trọng lượng đon vị đ át khỏ lớn nhát

Mức độ đầm chặt của một loại đất được đánh giá bảng trọng lượng đơn vị khô Với một công đầm nén đã cho, nếu dồ thị quan hệ giữa trọng lượng đơn vị đất khô và độ ẩm được lập như chỉ ra trên hình 1.8, thì độ ẩm tương ứnẹ với TrọniỊ lượiiíỊ đơn vị đấí khô lớn nhất (Yd(max)) được gọi là Độ ẩm ĩốì ưu ( Wtu)

Đường biểu diễn quan hệ giữa độ ẩm và trọng luợng đon vị đất khô ứng với mức độ bão hoà không đổi Sr , có thế đưọc xác định bảng phương trình:

Trọnu lượng đơn vị khô iớn nhất ứng với inức độ bão hoà, s, = 100% và các lồ rỗng không còn không khí, có ĩhế xúc dinh theo phươns trình (1.10),

(1.35)

(1.36)Trong đó: Y - trọng lượng đon vị đất ẩm;

w - trọng lưựng đấi ấm irorm cối;

y đ( bh

_ G s Yw _ G s Yw _ Y

( 1 3 8 )

Yd(bh) thay dổi Iheo đ ộ ẩm cũng dược biểu diễn trên hình 1.8

H ình 1.8 Đổ thị quan hệ giữa trọng lượng dơn \’ị đất khô và độ S n

trong thí nghiệm đám nén.

Ỉ.7 T ÍN H T H Â M NƯỚC CỬA ĐẤT ĐÁ

Bất kỳ m ộ t khối dất nào cũng cấu tạo bởi các hạt cứng kích thước khác nhau và giữa chúng có các lỗ rỗng Những lỗ rỗng trong đất được nối thông với nhau sẽ cho phép nước tạo thành d òn g chảy từ điểm có năng lượng cao hơn đến điểm có năng ỉượĩìg tháp hơn Tính th ấm nước được xem như tính chất của đất đá c h o phép dung dịch ngâí® qiUa khoảng k hô n g gian lỗ rỗng của chúng Trong phần này, chú ng ta chỉ nghiên cứu các

(ham số cơ bản của nước chảy qua đất đá

1.7.1 Đ ịn h luật D arcy

T h e o định lý Bernoulli, tổng độ cao cột nước

tại tiết diện bất kỳ trong đất ( xem hình 1.9) có

thê biểu diễn như sau:

Tô'iìi> đ ộ c a o c ộ t n ư ớ c = c ộ t n ư ớ c t ĩ n h + c ộ t

IIIÍỚC ú p + c ộ t nước lốc đ ộ

Cột mrớc tốc độ khi chảy qua đất đá là rất nhỏ

và có thể bỏ qua nó Vì thế, tổng độ cao cột nước

lại tiếl diện A và B được biểu diễn như sau:

hA và h B là độ cao cột nước áp tại A và B tương ứng.

Đ ộ chênh cột nước giữa tiết diện A và B là :

Gradien thuỷ lực (i) có thể viết là:

1—-1

Trong đó: L - kh oản g cách giữa giữa hai tiết diện A và B

Darcy (1856) đã công bố tương quan đơn giản giữa tốc độ vận đ ộn g và gradien thu ỷ

Chú ý rằng, A là tiết diện ngang của đất v uô ng góc với phương của d òn g chảy

Dễ dàng nhận thấy rằng, nếu q là trị số lưu lượng đon vị, còn i k h ô ng có thứ nguyên, thì trị số q và k có cù n g một đơn vị của tốc độ thấm, đ ó là cm / giãy hay m m / g i â y , Cần chú ý rằng, tốc độ vận đ ộn g của nước n hư chỉ ra trên cô n g thức (1.42) là tốc d ộ vận đ ộn g cúa nước tính cho loàn bộ diện tích tiết diện ng a n g c ủ a đất đá n ào đó m à nước chảy qua Bởi vì nước chỉ chảy q ua các k ho ảng k h ô n g gian lỗ rỗng liên tục trong đất đá, nên tốc độ thấm thực của nước (V,) qua đất đá được biểu diễn b ằng côn g thức sau:

Trong đó: n - độ rỗng của đất đá

Một số trị số hệ số thấm nước đặc trưng của đất đ á cho trong b ản g 1.4 dưới đây

Bảng 1.4 Các trị sô hệ sô thấm dặc trưng của đất đá k h át nhau

Trona nliiổu trườn c hợp llụrc tế, tính chất của d ò n g nước cháy q u a đất đá khác nhau

sẽ có vận tốc và gntđiên không giống nhau Đối với nh ữn g bài toán này, việc tính tơán ciòns chảy nói chung thường dùng các sơ dồ lưới d ò n g chảy Khái niệ m lưới dòng chảy

đưực dựa trên phương trình liên tục của Laplace, phương trình này m ô tả điều kiện dòn g chảy liên tục cho đ iểm đã biết trong khối đất đá.

Đế nhận được phương trình liên tục c ủ a d òn g chảy, hãy xét một lăng thể đất đá đơn

vị tại điểm A dưới nển đ ậ p ( xem hình 1.10 b) và kết cấu thuỷ lực được giới thiệu trên hình 1.10 a

Hình ỉ 10 Sơ đồ d ể thiết lập phương trình liên tục:

(a) kết cấLt thuỷ lực; (b) lăng thể đất đơn vị lại điểm A

Các dò n g chảy đi vào lăng thể đất theo hướng X, y, và z tuân theo định luật Th ấ m (lường Ihắng Darcy:

3h

x dx dh

q* = k x 'x A x = k x ^ d y d z

q y = k y iy A y = k y

3y9hdx.dz

q 7 = K ' x A , = k ^ d x d y

ơzTrong đó: q s , q , và C|2 - d òn g chảy lần lượt theo chiều X, y, và z;

ks, kv, và k, - hệ s ố thấm lần lượt theo chiều X, y, và z;

Cúc clòim cháy rời khỏi lãng thổ đất A theo hướng X, y, và z là:

Phirong trình (1.54) giông phươne trình Laplace.

1.7.3 Sử d ụ n g p h ư o íi” trinh lièn tục để gỉảỉ các bài toán th âm m ột ch iều

Đê tìm hiểu vai trò của pliưoim trình liên tục Iphương trình (1.54)], hãy xét một trườn e hợp đơn giản của clònu nước cháy qua hai lớp đất đá khac nhau, n h ư chỉ ra trên hình 1.11 Dò ng chảy chỉ xáy ra theo một chiều, tức là theo chiều của trục X Chiều dài cúa hai lóp đất đá (lần lưựl là: LA và LH), vù hệ số thấm của chúng theo chiều trục X (k A and k B) đều đã biết Tổng chiều cao cột áp tại các tiết diện 1 và 2 đã xác định Yêucấu ch ú n g ta hãy dựng đổ thị tổne dộ cao cột nước tại mọi tiết diện trong khoảng

Ilìn h í I I Dòng rhciy 111,1 7 í1' I '(! ,'uii lóp dất đá khúc nhan.

' I i i y v â \ i i : d u r a hiot (h; > hj) Từ diều kị ;n biên thứ nhất và phưưrm Irình (1.56), (li c , - I, \ ậ ) ,

li L

và tiếp đó thay phư ơng trình (1.61) vào (1.59) sẽ có:

Dựa vào các phư ơng trình (1.58) và (1.59), chúng ta có thể tĩnh được tri số h với bất

kỳ trị số X từ 0 đến (L A + L B) miễn là biết được trị số h 2 M à ta biết, lưu lượng nước

ch ảy q u a lớp đất A c ũ n g bang lưu lượng nước chảy qua lớp đất B, khi đó la có:

N h ư đã phân tích ở trên (trong phần 1.7.2), một đường d ò ng chảy là đường dọc theo

nó có một hạt nước vận độne qua

Một đ ư ờng đ ắ n g t h ế là dường nối liền các điểm có c ù n g độ chênh cột áp (tức là độ

ca o cột nước = h (x,z) = hằng số)

Hình 1.12 dưới d âv là một ví tiu cua Itroạng lưới thấm vòng qu a một hàng cọc cừ dưới

đ áy dập Lớp đất đá dưới đáv đãp tíónu nhài và đắng hư-ớng về tính thấm nước, tức là

k = k, = k Chú ý rằng, các dưònu lién nét trẽn hình 1.12 ỉà các đư ờn s dòng chảy, và cát:

đư ờng k h ôn g licn nét là các tlườnii đủng thế (đẳng áp) Đê vẽ được một mạng lưới thấm, cần chú ý đến nliữne điêu kiên biên của chúnc Ví dụ, trên hình 1.12 có các điều kiện sau:

l ỉ ì n t ĩ 1 1 2 M ạ n i ’ Ìư ơ ì d ò n g c h ả y VỎIÌÍỊ q u a m ộ t h à n g c ọ c v á n c ừ (lơn.

Nhữnìi đường dòng chay và các đường đẳng thế có thể được vẽ bằ ng các phần m ềm như: Plaxis; Slidc, và G e o - S tu d io ,

1 7 5 T ính toán (h âm m ất nước dưới nền đập b ằn g lưới th ấ m

Để tính toán thấm mất nước dưới nền đập, cần nghiên cứu kênh d ò n g ch ảy nh ư chỉ ra trên hình 1,13 (một kênh dòng chảy là một dải nằm giữa hai đ ư ờn g dò ng ch ảy cạnh nhau) Các đường đáng th ế cắt ngang qua kênh dòng chảy c ũ n g được biểu diễn tương ứng với từng chiểu cao cột áp

Gọi Acị là lưu lượng clòne cháy qua một đơn vị chiều dài của đáy đ ập (tức là vuông

á óc với tiết diện nền dập) Theo định luật thấm Darcy, có:

h - độ chênh cột nước giữa thượng lưu va hạ lưu,

N d - sỏ' lượng những điểm giảm thế năng.

Phương trình (1.69) chỉ ra ch o thấy, trị số tổn thất cột áp (độ giảm t h ế năng) giữa từng đỏi đường đẳng t h ế k ế tiếp ntiau đều bằng nhau Sau khi kết hợ p hai phương trình (1.68) và (1.69), ta có:

mộ t đơn vị chiều dài củ a kết cấu thuỷ lực (nến đập) là:

Mặc dù, các lưới thấm được vẽ theo cách m à các phân tố dong chảy gần như hình vuông Song trong thực tế, có thể vẽ m ạ n g lưới thấm bao g ồm các phân tố dòng cháy là những hình chữ nhật Trong trường hợp này, tỷ số giữa chiều dai vó: '.hiểu rộng của mọi phân tố dò ng chảy đều là m ộ t hằng số, tức là:

Đồi với những m ạng lưới thấm như vậy, lưu lượng thấm c h o mộ t đơn vị chiều dài kết cấu thuỷ lực có thế được lính như sau:

V í dụ 1.3. Cho một mạng lưới thấm như chí ra trên hình 1.14:

I ì Cliicii cao CỎI nước dân lị lên bao nhiêu nếu ta đặt m ột ông đo áp tại điểm A, B,

2) S'êì( k - 0 ,0 1 mm / giây, thi lượnỵ thấm mất nước từ thượng lưu xuống hạ hm t/ini đáy dập lù bao nhiêu m J/ n%àV dèm?

BÙI úi.

Chiều ao ;-ột mrớc lớn nhất h = 1 0 m Trên hình 1.14 chí ra cho thấy, trị sô' giảm th ế

1) Xác cỉịnh cliièii cao CỘI nước tại các điểm A, B vù C:

a) Đê dụt clếii diêm A, nước phải cháy qua ba chỗ giảm th ế năng, vì th ế tổn thất cột

c) C ác điểm A và c đều nằm trên cùng m ột đường đẳng thế N ên mực nước trong ống đo áp tại c s ẽ dâng cao giống như ống đo áp đặt tại điểm A, tức là hc = 7,5 m 2) Xác định lưii lượng thẩm m ất nước đơn vị, q, qua đ á y đập:

q = kh ( N f / N d )

Từ hình (1 14) ta có: N f = 5 và N d = 12, do vậy :

k = 0,01 m m /g iây = (0,0 l ) ( 6 0 x 6 0 x 2 4 ) / 1 0 0 0 = 0 , 8 6 4 m / ngày đêm

q = 0 ,8 6 4 (10) (5 /1 2 ) = 3,6 m 3/ngày đêm 1.7.6 M ạn g lưới th ấm tron g m ôi trư ờng k h ô n g đ ản g hướng

Đối với các m ạ n g lưới th ấm đ ã lập trên đây đều giả thiết lớp đất thấm nước là đẳng hướng, tức là k ngang = k đứng = k Bây giờ ch ú n g ta sẽ nghiên cứu trường hợp m ạ n g lưới thấm chảy qu a các lớp đất không đẳn g hướng về tính thấm nước Đối với các bài toán

dò n g thấm hai chiều, từ phương trình (1.53) ta có:

(1.75)

Sau khi thay phương trình (1.75) vào phương trình (1.74), c h ú n g ta nhận được:

õ 2h Ô2h

-T + — T Õx'2 Õz

Phương trình (1.76) có cù n g dạng với phương trình (1.54), m à phương trình (1.54) m ô

tả dòng chảy trong môi trường đ ồ n g nhất đẳn g hướng, và nó biểu diễn hai tập hợp các đường vuông góc trong mặt phẳng x ’z Các bước xây dựng một m ạ n g lưới thấm trong môi trường k h ô ng đ ẳng hướng được thực hiện n h ư sau:

1) Đ ể vẽ được kết cấu thuỷ lực, cần chọn m ộ t tỷ lệ đứng nào đó

2) Xác định |kz ^ d u n g

V

3) Chọn tỷ lệ ngang sao cho:

Ty lệ ngang = ^ - H y 'ệ đứng)

4) Với các tỷ lệ đã chọn trong các bước 1 và 3, vẽ mộ t mặt cắt ng ang qua kết cấu ihuý lực

5) Vẽ một m ạ n2 lưới thấm cho mặt cắt ngang đã tiến hành ở bước 4, đồng thời

làm giông như các b ư ớ c đã tiến hành đối với nền đồne nhất đẳng hướng

6) Tính toán lưu lượng thấm nước đơn vị theo cóng thức sau:

So sánh các phươne trình (1.71) và (1.77) cho thấy, hai phương trình này giống nhau, chí có điều khác giữa hai phương trình này là hệ số thấm, k [tức là k trong phương trình ( i 71) được thay bang yjk xk z trong phương trình (1.77)]

V í dụ 1.4. M ộ t hàng c ọ c cừ như chí ra trên hình 1.15 Hãy vẽ m ạn g lưới thấm cho tiết diện ngang Tương quan giữa các hệ số thấm là k x = 6 kr

m ạ n g krới thấm cắt q u a hai lớp đất đá khác nh au nh ư chỉ ra trên hình 1.17 dưới đây.

Hình 1.17 biếu diến điểu kiện tổng quát m à ở dó kênh d ò n g chảy cắt qua biên của hai lớp dất khác nhau Lớ p dất 1 và 2 có các hệ s ố thấm là k| và kọ, tương ứng Các: đườiií’

k h ô n g liến nét biểu diễn các đường đẳng thế

Đặt Ah là tổn thất chiều ca o cột áp giữa hai đường đẳ n g t h ế cạnh n hí u Nêu chỉ xéí

m ộ t đơn vị chiều rộng dò n g chảy, ta có:

Tronu đó: L, và b, - chiều dài và chiéu rộng của các phân tố dòng chảy trong lớp đất 1;

L: và b-, - chiều dài và chiều rộng của các phân tố dòng chảy trong lớp đất 2.Liên hộ với hình 1.17, ta có:

L, = AB sin(3, = AB cosa,L: = AB sinP2 = AB c o s a 2

b, = A C COSỊ3, = AC sina, b2 = AC c os P2 = AC s i n a

Những lưới dòng chảy trong nén dất không đổng nhất có thể xây dự ng bằ n g cách

d ù n g các tương quan đã cho trong phương trình (1.83) và những n g u y ê n tắc c ơ bản đã phác hoạ trong phần 1.7.4 Cần chú ý những điểm dưới đày:

]) Nếu k, > k 2, chúng ta có thế vẽ các phân tố dòng chảy trong lớp đất 1 là những hình vuông, nghĩa là: Lị = b, Khi đó, phương trình (1.78) có dạ ng k| / k2 = b, / L 2 Do

chiều dài sẽ bằng k, / k,

2) Nếu k, < k : , chúng ta có thế vẽ các phân tố dòng chảy trong lớp đất 1 là những hình vuông, nghĩa là: L, = b| Từ phương trình (1.78) có: k, / k2 = b 2 / L 2 N h ư vậy, các phân tố dòng chảv trone lóp 2 cũng sẽ là những hình chữ nhật

V í (lu 1.5. Hãy vẽ một mạng lưới thấm cho mật cắt đập nằm trên nền đất hai lớp khác

n h a u I1Ỉ1Ơ c h í r a l i ê n h ì n h 1 1 8 ?

Bài íịiải:

Một i nạn s lưới thâm cho tiết diện độp xây dựn2 trèn nền đất hai lớp được c h o trên

hình ỉ 19 Chú V, k, = 5 x lO^mm/giây, và k2 = 2 ,5 X 10° mm/giây N ên ch ú n g ta có:

( ỉ 7 9 a )( 1 7 % )(1.79c)(1.79d)

(1.80)

(1.81)

(1.82)

2 ) P h ư ơ n g p l u í p t í n h t o á n c ó s ự h ổ ĩ r ợ c ủ a m á y t í n h đ i ệ n t ử

C ác phẩn m ém Địa kỹ íiỉiiậỉ, như: PLAXIS; SLIDE; G E O -S ĨU D IO ,v.v có ĩhê sử (lụtig đ ể kiểm tra cúc kết c/uà tính trong phần Ị của ví dụ n à y C ác kết quả lính toán có

sự h ồ ỉr ợ a ia phán mém máy ĩínlì diện ĩửđược i?/ớ/ ỉlìiệỉi trên hình 1.20 dưới đây.

H ì n h 1 2 0 S ơ d ó m ạng lưới Ịhấỉiỉ dưới ỉĩêtỉ d ậ p dược íliiếí l ậ p b ằ n g p h ầ n m é m SL ỈD E V 5

1.8 ÁP LỤC NƯỚC LỖ Rỏ m SINH RA no NẸN KHỔNG THOÁT Nước

Trong một vài nghiên cứu thực tế trong cơ học đất, các ứng suất chính nhỏ nhất và tru nu bình không bang nhau Để dưa ứng suất chính trung bình vào tính toán (hình

ỉ 21), Henkel (1960) đc nghị thay dổi phương trình tính áp lực nước lỗ rỗng dưới điều kiện nén ba trục như sau:

A ơ , (ứng suất chính íởn nhất)

/ / / /

Au Aơi + A ơt + A ơ - + a-^(Aơj - A ơ , ) 2 +(À Ơ 2 - A ơ 3)2 + ( à ơ 3 - A ơ ị)2 ; (1.83)

Trong đó: a = đường kính áp lực lỗ rỗng Henkel

ổ ơ ^ ị và = s ố gia ứng suất pháp và ứng suất tiếp tám mặt, tương ứng Trong các thí nghiệm nén ba trục, A ơ2 = A ơ 3 Đ ố i với điều kiện này, có:

A ơ,+ 2A Ơ 1 / r ,

— ———— - + aV 2 (Aơị - A ơ - , )

Au =

Đ ối với các thí nghiệm một trục như chỉ ra trên

hình 1.22 dưới đây, chúng ta có thể thay

A ơ| bằng Aơj - A ơ 3 và trong phương trình (1.83)

Đ ố i với đất hoàn toàn bão hoà nước, đường kính

H enkel được tính như sau:

- 1 r^ K

a = Ì (A 3>

(1.87)

Hình 1.22 Áp lực nước lỗ rỗng dưới thí

nghiệm nén một trục không thoát nước.

Trong đó: A = hệ số Skempton, nó được xác

đ ị n h bằ ng thí ngh iệm ba trục tiêu chu ẩn hay b ằng thí n g h i ệ m tại hiện t r ư ờ n g ,

V í d ụ 1.6. M ột khối đất đắp nh ư chỉ ra trên hình 1.23 H ã y xác định áp lực nước lỗ rỗng sẽ phát sinh ra do bị nén tại các điểm A và B? G iả thiết hệ số poisson, V = 0,45 và trị số tham số áp lực nước lỗ rỗng A được xác định bằng thí nghiệm ba trục tiêu chuẩn dưới cùng tải trọng của khối đất đắp là 0,6.

Việc tính toán áp lực nước lỗ rỗng được thực hiện nh ư dưới đây:

IJệ thốn g phân loại đất th ôn g nhất

Hệ thống phân loại đát th ống nhất lần đầu tiên được A Ca s ag ra nd e giới thiệu vào năm 1942 , sau đó vào năm 1952 được Hiệp hội các kỹ sư và Cục cải tạo đất toàn Liên bang Mỹ sửa đổi Hiện nay, hệ thống phân loại đất này được các tổ chức khác nhau, và các kỹ sư địa kỹ thuật xây dựng sử d ụn g rộng rãi trong lĩnh vực tư vấn và trong các bộ luật xây dựng

Hệ thống phân loại đất thống nhất phân đất ra hai loại chính: đất hạt thô (bao g ồ m

hại mịn (bao g ồm bụi và đất loại sét), nếu hàm lượng đất lọt sà ng s ố 200 chiếm trên

50% Ngoài ra, đất còn được phân chia chi tiết hơn n h ư chỉ ra trong b ảng 1.5

Trong bảng phân loại đất th ống nhất thường sử dụ n g các ký hiệu dưới đây:

C : Sét

M : Bụi

o : Bụi hữu cơ hay sét

Pt : Bùn và sét hữu cơ cao

1 Đất hạt thò

(Lượng hạt lọt rây số

200 dưới 50%)

a Cuội sỏi (lương hat

thô lọt rây số 4 dưới

50%) : Cuội sỏi chứa

ít hay không chứa hạt

mịn

GW

Cuội sỏi có cấp phối lốt, sạn sỏi chứa cát (ít hay không có hạt mịn)

Qj - ^60/ D l0 > 4

Cc= ( D 3o)2/ ( D 10)(D60) - h - 3

GP Cuội sỏi có cấp phối xấu,

Cuội sỏi chứa cát (ít hay không có hạt mịn)

Không dùng được hai tiêu chuẩn Cu và Cc như đối với GM

- Cuội sỏi chứa các

Qi = D60 / D )0 > 6

Cc = (D30)2/ ( D l0)(D60) = 1 ^ 3

Sét vô cơ (độ dẻo thấp đến trung), sét lẫn sạn sỏi, sét lẫn cát, sét lẫn bụi, sét tinh

hữu cơ (độ dẻo thấp)

60

50

40

sT3 30'*Q(0

OH Sét hữu cơ (dẻo trung bình

đến cao), bụi hữu cơ

0 10 20 30 40 50 60 70 90

Đ ộ ẩ m g iớ i hạ n « h ảyt wt

Pt

Than bùn, bùn thối và đất chứa nhiếu hữu cơ khác

Ghi chú: * Phân loại dựa trên phần trăm hạt mịn

Theo bài ra, nếu Wj = 48, và ỉ,, = 32, đối chiếu với sơ đồ cho trong bảng 1.5 thì nhóm đất này hoàn toàn nằm trong vùne CL Kết luận, đất đã cho được xếp vào loại CL.

Bàng i.ò Các kết quả phân lích rày

Rây tiêu chuẩn

CònLạiKhối lượng đất

Bài t ậ p 1.10 Hãy giải ví dụ 1.3 bằng cách dùng chiều dày lớp đất thấm nước dưới đáy đập là 15 m và có hệ số thấm k = 0,005 mm/giây, mọi số liệu khác được giữ nguyên.Bài t ậ p 1.11 Hãy giải ví dụ 1.4 nếu có tương quan giữa các hệ s ố thấm là kx = 2 kz, mọi số liệu khác được giữ nguyên

Bài t ậ p 1.13 Hãỵ giải ví du 1.6 nếu hê số Poísson v = 0 , 4 , mọi s ố liệu khác được giữ nguyên

và Shah, 1984).

H ình 2.1 Mặt cắt ngang qua máng kiến tạo Bắc Alaska (theo Gere và Shah, Ỉ984)

Hiện có hai phương pháp cơ b ản để đo cường đ ộ đ ộ n g đ ấ t : ỉ ) Dựa trên cường độ động đất, và 2) Dựa trên cường độ p h á hoại công trình. Cường đ ộ được đo bằng tổng

năng lượng giải phóng ra từ trận động đất, còn cường độ phá hoại được dựa trên khả nãng phá hoại công trình và phản ứng của con người.

Hiện nay, đang tồn tại nhiều thang đo cường độ độn g đất khác nhau được các nhà

nghiên cứu địa chấn sử dụng

2.1.1 Thang cường độ địa chấn cục bộ

V ào nãm 1935, Giáo sư Charles Richter, thuộc viện nghiên cứu công nghệ

C aliíorm ia đã đưa ra m ột thang đo cường đọ động đất cho những trận động đất nông và động đất khu vực thuộc phía Nam C alifom ia Thang cường độ địa chấn này ngày nay

thường được gọi là Thang Cường độ Richter. D o cường độ địa chấn chỉ ứng dụn g c h o

Iihứnii cơn dộng dái nông và mang tính địa phương, nón nó còn được hiếu như là một

thanu do cườníỉ độ địa chấn cục bộ (hay địa phương), M L Chính thang đo cường độ địa chấn này rất dẻ hiếu và dược SƯ dung nhiều Cường độ địa c h ấ n được t ính n h ư sau

(Richter, 1935, 1958) :

T ro n" dó: M L - cường dộ địa chân cục bộ (tham khảo thang đo địa chấn của Richter)

A - biên độ dao dộng lớn nhất, 111111, được ghi lại bằng m áy địa chấn ký

liêu chuẩn của Anderson có chu kỳ riêng bằng 0,8 giây, hệ số tắt dần

ià 80%, và cường độ tĩnh bằng 2800 M á y đo địa chấn An der son phái dược đặt trên nền đá cứng nằm cácli tàm đ ộ n g đất 100 km

dộ n g do địa chân sẽ tăng lẻn

Húng 2.1 Các tương quan gan d ú n g giữa tường đó địa chân, M, , và gia tốc

địa chán cực dại, am.,v, xáy ra t r o n g quá trình (lọng đẩl, và mức độ hư hóng

xung quanh vùng đút gãy kiến tạo đà được Mercalli sửa đổi

Cườna, độ cục bộ

Gia tốc địa chấn cực đại tiêu biểu, aI)m, xung quanh đứt gãy kiên tạo

Thời gian rung động địa chấn xung quanh đút gãy kiến tạo

Trị số cường độ địa chấn xung quanh đứt gãy kiến tạo đã được Mercalli hiệu chính

Hình 2.2 So'dồ íruyéỉì sóng địa clìấỉỉ iừ iìội chấn tâm lèn bé mặt (lất

Sau khi thay các trị số đã có vào phương trình (2.2), ta có:

Vp =

B ( l - V ) Y(1 + v ) ( 1 - 2 v )

Thật vậy, tỷ số Vp / v s phụ thuộc vào hệ sô' Poisson.

Hình 2.3 Sơ đồ tha\ dối biên độ ỉ! uyên sóng từ môi trường này sang môi trường khác.

ỉ S ự th ay đổi biên độ dao động do truyền sóng giữa hai m ôi trường đàn hồi

Nếu biên độ dao động của sóng tới, phản xạ, và lan truyền lần lượt được ký hiệu bằng A,, Ap và A, tương ứng, và góc tới là 9 = 0, thì tương quan giữa các biên độ này có thể được biểu diễn như sau:

(2.7)

(2.8)

(2.9)

Trong đó: a - hệ sô' trở kháng của sóng tới;

y - trọng lượng đơn v ị của đít;

V - tốc độ sóng.

Nói chun ẹ, hệ số trở kháng của lớp đất sét m ề m yếu nh ỏ hơn so với tầng đất cứng Do

dó, hệ sô trớ kháng a < 1 nếu như sóng địa chấn được truyền từ môi trường cứng hơn

sanu môi trường m ề m yếu hơn, trong trường hợp này có thể được biểu diễn nh ư sau:

- _ Y > V 1

a = — X — < 1.

2 H iện tượng cộng hưởng

Kanai và cộng sự của ông (1953) đã xác nhận m ộ t hiện tượng “ khuyếch đại quá

m ứ c ” xảy ra do phản xạ nhiều lần của các sóng trong tầng đất rất yếu trên mặt đất

Nếu chuyến dộng củ a sóng tới có dạng hình sin điểu hoà, biên độ dao đ ộ n g tại độ sâu

z ’ so với dáy lớp đất yếu được xác định như sau:

Trong đó: A, - biên độ da o đ ộ n g của sóng tới;

h - chiều dày của lóp đất yếu bề mặt;

Tị - chu kỳ của sóng tới, và;

T g - chu kỳ riêng của lớp đất yếu bề mặt (T = 4 h/V|)

Nếu sóng tới hình sin có chu kỳ T = Tj = 4 h / Vj, thì biên độ dao độ n g c ủ a sóng địachấn tại bề mặt đất (z = h) giả thiết có trị scTlớn nhất, tức ià:

?

a

và đây là điều kiện cộng hưởng Điểu này

thực tế cho thấy, trị số biên độ dao động

sóng địa chấn lớn nhất, lại đó có 2 / ă > 2

cho lớp đất bề mặt m ề m yếu, vì ã luôn nhỏ

hơn một đon vị (xem hình 2.4)

2.3 PHÂN TÍCIỈ H O Á LỎNG VÀ LÚN

DO Đ Ộ NG Đ Ấ T GÂY RA

2.3.1 Phiìn lích hoá lỏn g do đ ộn g đất

gây ra

Đô lính toán hệ số kháng hoá lỏng của

dát đá người ta hay dùng phương trình sau: